中 華 大 學 碩 士 論 文

中 華 大 學

碩 士 論 文

2.4GHz 無線電力監測系統

2.4GHz Wireless Power Monitor System

系 所 別 :電機工程學系碩士班 學號姓名 : M09801036 張佳偉

指導教授 :王志湖 博士

中 華 民 國 100 年 8 月

摘要

隨著無線通訊技術的成熟，無線感測網路(Wireless Sensor Network，WSN)進入人 類的日常生活，使用者透過 WSN 迅速了解辦公大樓、居家的消耗電能與環境的危險 因素，立即做應變處理，也可以控制遠端電器使用狀態，此一技術將漸漸的改變人類 的生活型態，帶來更大的便利。

本研究利用嵌入式系統結合 2.4GHz 無線傳輸與 Ethernet Module 整合成異質網 路電力監測系統，拓展監測範圍，進而達到遠端監控、即時管理之功效。

關鍵字: 無線感測網路、2.4GHz 無線傳輸、異質網路、電力監測

Abstract

With the maturing of wireless technology, and the integration of Wireless Sensor Networks (WSN) into daily life, a user can quickly be more familiar with the environments of their office buildings and homes through the use of WSN. The WSN can be useful to determine environment costs or electricity use and can be utilized by people to become more aware of their surroundings and deal with any problems that arise. Through the WSN, we can control remote power devices. By technology can be used to improve a person’s quality of life.

This thesis aims to improve the combination of 2.4 GHz embedded systems, wireless transitions, and Ethernet Modules such heterogeneous network's performance, the rate of communication, and long-distance control in order to be managed effectively.

Keywords: Wireless Sensor Network, 2.4 GHz Wireless Transition, Heterogeneous Network, Power Monitor

誌謝

此刻的心情真的是五味雜陳，說真的這兩年除了苦以外沒有其它的，直到口試結 束當天，擔在肩膀上的壓力才一口氣的全部釋放出來，這兩年真的經歷了好多好多，

從一進來實驗室的懵懵懂懂，到後來明白做事的方法、解決問題的邏輯思考，這全都 要感謝王志湖老師、田慶誠老師不厭其煩的教導，真的由衷的感謝兩位老師，理解我 的負面情緒，才能讓我走到這一步。

再來是感謝工研院材化所的李彬州，潘信宏、何朝仁、郭忠義各個大哥們，在量 測化材特性時給我許多建議與指導，再來是感謝邱建隆老師與前鼎光電各個大哥:江 俊傑、莊青龍、陳金正、鍾仁峯，在設計電路與程式撰寫方面給我許多的建議。

接著是感謝學長們:鄭權祐、鄭名偉、顏子揚熱心的教導，現在想想當時真的問 了很多蠢問題，真的很感謝你們。再來是感謝同期的同學們:王振芳、林建州、古一 喬、劉華智、周佳龍、吳孟勤、陳博綸，彼此的互相切磋溝通學習，才能完成此篇論 文。感謝學弟妹們:洪文正、林建安、劉佳婷、許靜宜、李佩蓉，謝謝你們大力的幫 助，由衷的感謝。

最後要感謝我的家人，感謝你們忍受個性偏執任性的我，一直支持陪伴我走完研 究所的日子，對於你們我真的不知道如何表達感謝，我只想說我愛你們。

佳偉 謹識

中華民國一百年八月 新竹

目錄

中 華 大 學 ... 1

碩 士 論 文 ... 1

摘要 ... I Abstract ... II 誌謝 ... III 目錄 ... IV 圖目錄 ... VI 表目錄 ... VIII 第一章緒論 ... 1

1-1.研究動機與目的 ... 1

1-2.研究方法與步驟 ... 2

1-3.論文架構 ... 2

第二章 系統架構與規格制定 ... 3

2-1.系統架構與規格制定 ... 5

2-1-1. Master 架構 ... 5

2-1-2.Slave 架構 ... 6

2-2 .Switching Power 規格 ... 6

2-3. Energy Meter IC 規格 ... 7

2-4. RF Transceiver-A7105 規格 ... 7

2-5 .Ethernet Module-WM120 規格 ... 9

第三章 電路設計 ... 11

3-1 .Switching Power 電路設計 ... 11

3-2.穩壓電路設計 ... 12

3-3.電源監控電路設計 ... 13

3-4.AC-Current Transformers 電路設計 ... 17

3-5.監測電路製作 ... 18

第四章 電力監控相關韌體設計 ... 20

4-1.系統目標 ... 20

4-2. 2.4GHz 無線電力監測系統流程 ... 21

4-2-1. Energy Metering Sensor 系統功能流程規劃 ... 22

4-2-2. RF Transceiver 系統流程規畫 ... 26

4-2-3. LCD 介面 ... 27

4-2-4. Ethernet Module... 28

第五章 綜合測試與實現 ... 29

5-1. Measured Data... 29

5-1-1. Voltage Measure ... 30

5-1-2. Current Measure ... 34

5-1-3.Power Factor Measure ... 37

5-2.成果展示 ... 41

第六章 結論 ... 49

6-1.系統優點 ... 49

6-2.結論與展望 ... 50

參考文獻 ... 50

圖目錄

圖 2.1 系統架構 ... 3

圖 2.2 系統規畫流程圖 ... 4

圖 2.2 Master 架構圖 ... 5

圖 2.3 Slave 架構圖 ... 6

圖 2.4 ADE7758 功能方塊圖[2] ... 7

圖 2.5 A7105 內部方塊圖[3] ... 9

圖 2.6 Ethernet Module WM120[4] ... 10

圖 2.7 WM120 包率、IP Address 設定[4] ... 11

圖 3.1 基本的離線交換式穩壓電源供應器[5] ... 11

圖 3.1 為 Swtching Power 電路 ... 12

圖 3.2 Low Linear Voltage Regulator... 12

圖 3.3 ADE7758 內部功能方塊圖[2] ... 13

圖 3.4 電壓通道[2] ... 14

圖 3.5 電流通道[2] ... 14

圖 3.6 實電能的累積[2] ... 15

圖 3.7 虛電能的累積[2] ... 15

圖 3.8 總電能的累積[2] ... 16

圖 3.9 為 Energy metering sensor 電路設計 ... 16

圖 3.10ADE7758 Evaluation Board 的電流量測電路[2] ... 17

圖 3.11 ADE7758 Evaluation Board 電流量測電路 ... 18

圖 3.4 電力監測電路 PCB Layout(Top View 與 Bottom View) ... 19

圖 3.5 電力監測 LCD 面板 PCB Layout ... 19

圖 3.6 電力監測面板 PCB Layout ... 19

圖 3.7 電力監測實體電路 ... 20

圖 4.1 無線電力監測示意圖 ... 21

圖 4.2 系統流程圖 ... 22

圖 4.3 Timing Limit[2] ... 23

圖 4.4 Serial Write Timing[2] ... 23

圖 4.5 Serial Read Timing[2] ... 24

圖 4-6 Serial Write 流程圖(a)... 24

圖 4.7 Serial Write 流程圖(b) ... 25

圖 4.8 Serial Read 之流程圖 ... 26

圖 4.9 RF Transceiver 動作流程 ... 27

圖 4.10 LCD 動作流程 ... 28

圖 4.11PC 端顯示的數值 ... 29

圖 5.1 邏輯分析儀量測的 Serial Write/Read ... 30

圖 5.2 Voltage Channel A 0~60mVpp 量測曲線 ... 31

圖 5.3 Voltage Channel A 60~500mVpp 量測曲線 ... 31

圖 5.4Voltage Channel B 0~60mVpp 量測曲線 ... 32

圖 5.5 Voltage Channel B 0~60mVpp 量測曲線 ... 32

圖 5.6 Voltage Channel C 0~60mVpp 量測曲線 ... 33

圖 5.7 Voltage Channel C 60~500mVpp 量測曲線 ... 33

圖 5.8 Current Channel A 0~20mVpp 量測曲線 ... 34

圖 5.9 Current Channel A 0~500mVpp 量測曲線 ... 35

圖 5.10 Current Channel B 0~20mVpp 量測曲線 ... 35

圖 5.11 Current Channel B 0~500mVpp 量測曲線 ... 36

圖 5.12 Current Channel C 0~20mVpp 量測曲線 ... 36

圖 5.13 Current Channel C 0~20mVpp 量測曲線 ... 37

圖 5.14 校正 Power Factor 所使用的純負載與參考電錶 ... 38

圖 5.15Power Factor 量測電路圖 ... 38

圖 5.16 Power Factor 量測實體電路 ... 39

圖 5.17 Power Factor 量測曲線 ... 41

圖 5.18 Demo 示意圖 ... 42

圖 5.19 Slave 端顯示電壓的數據 ... 42

圖 5.20 未接上負載時量測之電流值 ... 43

圖 5.21 吹風機冷風檔之量測之電流值 ... 43

圖 5.22 吹風機熱風檔之量測之電流值 ... 44

圖 5.23 吹風機最大熱風檔之量測之電流值 ... 44

圖 5.24 未接上負載量測之實功率 ... 45

圖 5.25 浙江松夏-DDSC722 未接上負載之實功率 ... 45

圖 5.26 吹風機冷風檔量測之實功率 ... 46

圖 5.27 浙江松夏-DDSC722 冷風檔之實功率 ... 46

圖 5.28 吹風機熱風檔量測之實功率 ... 47

圖 5.29 浙江松夏-DDSC722 熱風檔之實功率 ... 47

圖 5.30 吹風機最大熱風檔量測之實功率 ... 48

圖 5.31 浙江松夏-DDSC722 最大熱風檔之實功率 ... 48

圖 5.32 市電頻率 ... 49

表目錄

表 5.1 Power Factor 量測數據與理論值比較表 ... 40

第一章緒論

1-1.研究動機與目的

科技快速的發展導致人類對能源的需求日益增加，雖然現今能源發展的技術已有 水利、風力、火力、太陽能、核能等多種發電方式，但主要電力的取得還是以火力發 電的方式來獲取；火力發電不僅需要大量的石油來做發電的能源，在發電的過程也給 環境帶來巨大的汙染。

近年來全球暖化與能源危機是人類必須正視的兩個重要課題，由於發電產生的 CO2 氣體會造成氣候的暖化，為了減少 CO2 的排放量，可由兩種方法解決:其一是尋 找不會造成汙染的替代能源；另外只能對於電力的消耗有效的管控。

拜現今的網際網路普及與無線技術的發達所賜，監控系統的發展也逐漸成熟，使 用者可以很容易的透過手機、電腦的界面來了解家中電力消耗的情形，進而達到節能 的功效。

智慧建築的七大指標[1]:資訊及通訊指標、安全防災指標、健康舒適指標、設備 節能指標、綜合佈線指標、系統整合指標、設備管理指標、此研究以設備節能、綜合 佈線為主，為了減少錯綜複雜的電纜線，可使用 Wireless 的方式傳輸資料；而監測使 用中的電力，達到節能之功效。

綜合以上之敘述，本論文採以副端(Slave)端來計算電力消耗的數據，而控制方面 透過主控端(Master)端來向各個 Slave 收集數據，透過網路的方式將資料數據傳送至 遠端，進而達到遠端監控的功效。

1-2.研究方法與步驟

本論文的系統架構主要分成 PC 端、主控端與副端。PC 是透過網路的方式來與 Master 做溝通；Master 與 Slave 是由 2.4GHz 無線方式做溝通。

在 2.4GHz 無線傳輸方面我們使用笙科這間公司生產的，型號為 A7105；有線網路端 是透過巨擎這家公司所生產的 Ethernet Module，型號為 WM120；電力量測方面使用 ANALOG DEVICES 生產的電源管理 IC，型號為 ADE7758；資料處理與計算是由笙 銓這家公司生產的嵌入式單晶片，型號為 MPC89E52AF。透過上述的硬體整合來實 現無線電力監控的研究。

1-3.論文架構

本論文一共分為六個章節:依序為緒論、系統架構與規格制定、電路設計、電力 監測相關韌體設計、綜合測試與實現、結論，各章節內容分述如下:

第一章節:

介紹此研究 2.4GHz 無線電力監控系統之動機與研究方法。

第二章節:

介紹系統架構，包括 Master 架構、Slave 架構、Switching Power 規格、RF transceiver 規格與 Ethernet Module 規格。

第三章節:

此章節主要介紹的是系統設計，包含 Switching Power 電路設計、LDO 穩壓電路 設計、電源監測電路設計、AC Current Transformers 電路設計、電力監測電路製作。

第四章節:

此章節主要介紹無線電力監測程式設計，包含監測系統流程、Energy metering sensor 系統流程規畫、RF Transceiver 系統流程規畫、LCD 程式流程規畫、 Ethernet 應用。

第五章節:

此章節主要介紹量測所得到的數據與演算法，和驗證系統功能。

第六章節:

結論。

第二章 系統架構與規格制定

圖 2.1 系統架構

如圖 2.1 所示，系統架構主要分成三個部分：PC、Master 和 Slave。Master 透過網路 接收 PC 的 Command，再透過 2.4G RF Transceiver 和 Slave 做資料傳輸，Slave 判斷 接受到 Command 是否正確，並回報資料給 Master，Master 彙整 Slave 傳輸的資料後 由網路回傳給 PC。

基於上述所需的系統架構，之後找出可以符合需求的零件，為了達成系統的可行 性，使用的零件與材料以商業市場容易購得的為主，但是市面上的零件不一定能完全 符合產品規格的需求，所以必須用現有的零件來調整架構，使整個系統符合所制定的 系統架構。在 2-2、2-3、2-4、2-5，會詳細介紹系統所需的零件。

在系統架構決定後，接下來必須驗證此系統是否有達到廠商所要求的系統規格，

驗證的第一步驟由 PC 與 Master 和 Slave 間的通訊網路建立，第二步驟驗證電力系統 與電力量測得到的數據是否達到規格，最後將通訊架構與電力偵測架構整合出電力感 測，下圖 2.2 為系統研究流程圖。

START

規劃系統架構

規劃電路架構

區塊電路測試實驗

實驗結果是否符合需求 區塊電路製作

將區塊電路進行整 合

整合結果是否達到預 期效果

對所需要控制的電 路進行韌體模擬實

驗

將所有韌體做系統 整合

測試結果是否達到需 求

END

系統韌體修改 No

No

Yes Yes

Yes

A

A

圖 2.2 系統規畫流程圖

2-1.系統架構與規格制定

2-1-1. Master 架構

圖 2.2 Master 架構圖

上圖是 Master 的基本架構，主要分成 Switching Power、MCU、DC-DC Regulator、

Ethernet Module、RF Transceiver。Switching Power 為提供整個系統的電源，其輸入電 壓為 90V~264VAC，輸出 5VDC 為提供整個系統電源所需。RF Transceiver 所需的電 壓是 5VDC 經由 DC-DC Regulator 提供。通訊的部份由 MCU 經由 Ethernet Module 透 過傳送接收網路層的資訊進而利用 RF Transceiver 建立一個 2.4G 無線平台。

2-1-2.Slave 架構

圖 2.3 Slave 架構圖

上圖為 Slave 架構，主要分成 Switching Power、MCU、DC-DC Regulator、RF Transceiver、LCD、Attenuation 電路、Current Transformers 及 Energy Metering IC。

Energy Metering 檢測電壓電流的方式是由市電經由衰減與 Current Transformers 產生 的衰減電壓與感應電壓，再進入 Energy Metering，將處理好的資料透過 SPI 傳輸的方 式傳入至 MCU ，再由 MCU 經過數值運算，最後將資料透過 RF Transceiver 傳至 LCD 與 Master。

2-2 .Switching Power 規格

Switching Power 所產生的電壓由系統需求的電壓而定，Master 與 Slave 所需要的 電壓為 5VDC 與 3.3VDC，耗流約為 250mA 左右，3.3VDC 是由 DC-DC Regulator 產

生。輸入電壓採一般市電 110VAC 與 220VAC，由上述所示，制定 Switching Power 規格如下:

(1)輸入電壓:90VAC~264VAC (2)輸出電壓:5VDC

(3)最大供應電流:1A

2-3. Energy Meter IC 規格

Energy Meter IC 是選用 ANALOG DEVICE 所生產的 ADE7758 IC，此 IC 為三相 高精準度的電量量測 IC，使用 SPI 傳輸介面傳送及接收資料，可量測電壓(Voltage)、

電流(Current)、視在功率(Apparent Energy)、實功率(Active Energy)、頻率(Frequency) 等資料，功能方塊表如下圖:

圖 2.4 ADE7758 功能方塊圖[2]

2-4. RF Transceiver-A7105 規格

2.4GHz RF Transceiver IC 是由笙科所生產，型號為 A7105，資料傳輸方式是由 MCU 透過 SPI 傳輸介面與 A7105 溝通，當為傳輸模式(TX)時，MCU 透過 SPI 介面將資料寫

入 TX FIFO，經由 FSK 調變，根據所設定的頻率(2.4G~2.48GHz)，再透過 PLL 與 VCO 鎖定頻率，然後至功率放大器傳送到天線發射出去；當資料為接收模式(RX)，天線收 到資料後透過 LNA(低雜訊放大器)將訊號放大，再經由 Mixer(混頻器)將訊號由 2.4GHz 降至中頻，在經過 BPF(帶通濾波器)將不要的頻段訊號都濾掉，最後放大器將 訊號放大然後做 FSK 調變，並將資料存取於 RX FIFO，此時 MCU 就可以透過 SPI 介面 來讀取資料。

下列為 RF Transceiver 型號 A7105 詳細規格[3]:

1. Frequency band: 2400 – 2483MHz.

2. FSK modulation

3. Low current consumption for (RX 16mA, TX 19mA) 4. Supply voltage 1.9 – 3.6 V

5. High sensitivity (-96Bm at 500KHz data rate) 6. Programmable data rate up to 500kbps

7. Efficient 3/4-wires SPI interface to access FIFO data, command and register setting 8. Digital RSSI output for clear channel indication

9. Digital temperature output

圖 2.5 A7105 內部方塊圖[3]

2-5 .Ethernet Module-WM120 規格

本論文所使用的 Ethernet Module 是由巨擎所生產，其功能是將 TCP/IP 訊號轉為 UART 訊號，此 Module 可設定 IP Address 與 Baud Rate，MCU 透過串列傳輸將電壓、

電流等資料傳至 WM120，再由 W120 將資料透過指定 IP 傳至網路，使用者可以透過 網路將資料傳至 PC，當然也可透過 PC 傳送資料至指定的 IP，WM120 收取資料後會 轉成 UART 訊號回傳。

圖 2.6 Ethernet Module WM120[4]

圖 2.7 WM120 包率、IP Address 設定[4]

第三章 電路設計

3-1.Switching Power 電路設計

本論文採用 Switching Power 最大原因是因監控電力資訊要以不斷電為原則，因 長時間使用，如果監測器本身消耗大量能量，那就失去電力控管的意義。

Switching Power 其優點為轉換效率高，不同於 Linear Power 因轉換效率差導致電 源發燙；無負載時轉換效率電量較少，電壓輸入範圍大；其缺點為產生 EMI/RFI 干 擾、輸出電壓鏈波、雜訊較大，這些是必須注意的，Switching Power 電路設計方塊圖 如圖 3.1。

圖 3.1 基本的離線交換式穩壓電源供應器[5]

Switching Power 的電路如圖 3.1，此論文所使用的電路輸入端為市電 90V~258V，

經過橋式整流後再經由變壓器轉換成 DC-DC 的 5V 直流電。

整流與濾 波

交換元 件

隔離功率 變壓器

輸出整流 與濾波

回授與控制 電路

Vout

Vref AC

R28R34

R26

R27 C29

C18

R19

C27

VCC 1

FB 2

DRAIN 3

GND

4 U2 C26 HOT

D5

R15 R16R21 C16

C15

C14 L2 HOT

D11 R55

BN Swtching Power 1 2

3

U4

12

34 U3 R31

F2 5V

HOT C5R31 2

D1

1 2

D4

AGND AGND

AGND AGND

HV_155V 5 6103 8

HOT

1T1EE1614 +C10

L1 12V

C12 C13

GND

GND

GND D6

RED

+C22

+C21L3 5V

R23

GND

C23 C24

GND GND

C32

HOT GND +C9

HOT D10 HOT

D3 R12

F1 D2

D13 R56

F3 D12

HOT

HOT

CA

圖 3.1 為 Swtching Power 電路

3-2.穩壓電路設計

A D J

1 Vout

2 Vin

3 Vout 2

U12LM1117

1

2 R50200

12 R51250 C575.6pF C580.1uFC595.6pF

G N D

G N D G N D 3.3V

5V

圖 3.2 Low Linear Voltage Regulator

系統中的 RF Transformers 需要用到 3.3VDC，所以透過 Switching Power 提供的 5VDC，再經由一個 LDO Low Linear Voltage Regulator 產生系統所需要的 3.3VDC。

V Vref

R R

Vref ( 1 2 / 1 ), 1 . 25

Vout   

3-3.電源監控電路設計

圖 3.3 ADE7758 內部功能方塊圖[2]

圖 3.3 為 Energy metering sensor，IC 型號為 ADE7758，ADE7758 的電壓通道與 電流通道都有一組可編程的增益放大器，透過 Gain Register bit 0 與 bit1 的設定來改 變 PGA1(電流)的增益係數，其增益係數分別為 1、2、4，其對應的最大輸入電壓依 序為±0.5V、±0.25V、±0.125V；而電壓通道方面，設定 Gain Register bit5 與 bit6 來改 變 PGA2 的增益係數，其增益係數和輸入最大電壓與電流增益一致，其工作原理是利 用 ADC 的基準參考電壓來產生，Gain Register 的 bit 7 是用來制能電流通道的積分器。

由市電衰減後信號的與 Current Transformers 轉換出來的信號經過 PGA1 與 PGA2 和 ADC 轉換出相對應的數位訊號。

電壓信號經由電壓通道增益放大器改變輸入的最大±0.5V 交流訊號，可將訊號大 小調整±50%，再經由 LPF1，保留市電 60Hz 的交流成分，將訊號取絕對值再通過 LPF3，最後在將信號加總存在各相 VRMS 的暫存器中，如圖 3.4 所示。

圖 3.4 電壓通道[2]

電流信號經由電流通道的增益放大，如同電壓通道的放大方法一致，也可將信號 放大±50%，經由 HPF，濾除直流成分，經過積分器，再將電流信號曲平方值，經過 HPF 與電流有效偏移量校準，再開根號得到電流的有效值，最後再將加總後的值存入 各相 IRMS 的暫存器中，如圖 3.5 所示。

圖 3.5 電流通道[2]

實電能(Active Energy)的獲得是由電流經過積分器過後與電壓經過相位校正後相 乘，即可得到瞬時功率，得到瞬時功率後再經過 LPF2，經由 AWG 可以調整得到的 瞬時功率增益，調整大小為±50%，最後再存到相對應的 WATTHR 暫存器中。各相的 WATTHR 的總和即為總實電能。如圖 3.6 所示。

圖 3.6 實電能的累積[2]

虛電能(Reactive Energy)的獲得方式是由 ADE7758 可將各次諧波位移 90°，將電 流信號位移 90°再與校準後的電壓信號相乘，得到虛功率之後經由 AWG 可以調整得

到的瞬時功率增益，調整大小為±50%，最後再存到相對應的 VRHR 暫存器中。各相 VRHR 的總和即為總虛電能。如圖 3.7 所示。

圖 3.7 虛電能的累積[2]

視在電量(Apparent Energy)的累積方法是直接用電壓與電流的有效值直接相乘得 到是在功率，再經過 LPF，增益調整後累加在各相的 VARHR 暫存器，將各相的 VARHR 相加即為總電能。如圖 3.8 所示。

圖 3.8 總電能的累積[2]

圖 3.9 為 Energy metering sensor 電路設計，市電 90~258 經由 1MΩ 與 1KΩ 分壓 後得到的衰減電壓進入電壓通道進行運算，電流由 Current Transformers(由 3-4 節會詳 細介紹)產生出對應的感應交流電壓進入電流通道運算。

C7 R5

R6

AGND

AGND AGND

AGND

AGND

AGND AGND

AGND

AGND

AGND AGND

AGND R11R22R25 R10R20R24R29R32

R30R33 C11C20C28C33C25 R17

C19

AGND R13 R14

C17

R18 AGND

AGND R7 R8

C8

R9AGND

AGND R1 R2

C6

R4AGND

AGND

GND AGND

C2

C1 C3 C4

AGND AGND AGND AGND

5V APCF

1 DGND

2 DVDD

3 AVDD

4 IAP

5 IAN

6 IBP

7 IBN

8 ICP

9 ICN

10 AGND

11 REF in/out

12 VN 13

VCP 14

VBP 15

VAP 16

VARCF 17

NIRQ 18

CLKIN 19

CLKOUT 20

NCS 21

DIN 22

SCLK 23

DOUT 24

U1

ADE7758 1 2

Y1

10MHz

C30 C31

GND GND

ADE7758_CLKIN ADE7758_CLKOUT ADE7758_CLKOUTADE7758_CLKINADE7758_DOUTADE7758_SCLKADE7758_DINADE7758_NCS AGND

ADE7758

ADE7758_APCF ADE7758_VARCF CN

ADE7758_IAPADE7758_IANADE7758_IBNADE7758_IBPADE7758_ICPADE7758_ICNADE7758_DGNDADE7758_AGNDADE7758_AVDDADE7758_DVDD ADE7758_VAPADE7758_VBPADE7758_VCPADE7758_VN

12

P5

Header 2 12

P6

Header 2 1

1 P1

CON1

1

1 P2

CON1

1

1 P3

CON1

1

1 P4

CON1

123456

P8

Header 6

123456

P9

Header 6H

ADE7758_I ADE7758_NIRQ

GND AGND

12

P7

Header 2 AB

圖 3.9 為 Energy metering sensor 電路設計

3-4.AC-Current Transformers 電路設計

此電路採用型號為 TU10P-90A 之 AC Current Transformers，此材料由工研院材化 所提供，圖 3.10 為 ADE7758 Evaluation Board 的電流量測電路，原架構採用 Current Transformer 的圈數比為 1800:1，電流比也將是 1800:1， Irms 可輸入的最大電流為 40A，透過以下公式我們可以驗證此 Current Transformer 輸入的最大電流:

mV Vs

RL Is

Vs RL

mA Is

Is A

355

* 16

2 . 22

1 : 1800 :

40

















圖 3.10ADE7758 Evaluation Board 的電流量測電路[2]

因 TU10P-90A 輸入最大電流為 90A，圈數比為 3000:1，Vs=335mV，可透過上 述式子求得 RL:

mV Vs

Is Vs

mA Is

Is A

355 17 . 11 /

30

1 : 3000 :

90















因市面上購買不到 5.6R 的電阻，所以用兩顆 5.1R 的電阻做串聯，做此修改需考 慮實際輸入的 Vs 將不到 355mV，圖 3.11 為修改後的實際電路:

圖 3.11 ADE7758 Evaluation Board 電流量測電路

3-5.監測電路製作

電力監測電路架構如圖 2.3，所使用到的電路有 Switching Power、穩壓電路、

MCU、RF Transceiver、Energy Metering Sensor、LCD 所組成。在 Layout 的過程要注 意數位訊號的干擾造成的雜訊、雜訊會影響 RF 的傳輸和電量量測的精準度。圖 3.10 為電力監測電路 PCB Layout。3.11 為電力監測 LCD 面板 PCB Layout。3.12 為電力監 測側板 PCB Layout。

圖 3.4 電力監測電路 PCB Layout(Top View 與 Bottom View)

圖 3.5 電力監測 LCD 面板 PCB Layout

圖 3.6 電力監測面板 PCB Layout

圖 3.7 電力監測實體電路

第四章 電力監控相關韌體設計

4-1.系統目標

本論文目標是將 RF Transceiver、Energy Metering Sensor、Ethernet Module 做結 合，實現 WSN 無線電力監測系統，主控端可透過 RF Transceiver 下達命令到各個子

從端，將資料依序傳回主控端，主控端再把收集的資料透過 TCP/IP 傳至網路，使用 者可以在遠端得到立即的資訊，確實掌握家中用電情形，如圖 4.1 所示。

圖 4.1 無線電力監測示意圖

4-2. 2.4GHz 無線電力監測系統流程

整個系統規畫中主要分成三個部份:第一個部份為 MCU 與 Energy Metering Sensor 結合達成電力感測，第二部份為 RF Transceiver 與 MCU 結合達到無線傳輸，

第三部份為 MCU 與 Ethernet Module 將資料上傳自網路，最後為 Display 的部份，下 圖 4.2 為系統大致的流程圖架構。

Start

System Initial()

LCD Updata()

Timer0 Set 0.25ms time out

是否接收到正確的cmd?

Yes

執行Master下達的 cmd

Wait 1sec time out

Get Energy Sensor Data()

將取得的資料 做運算處理()

LCD Updata()

更新傳送的資 料

0.25ms time out

A

A

B

B

圖 4.2 系統流程圖

4-2-1. Energy Metering Sensor 系統功能流程規劃

在 MCU 與 Energy Metering Sensor 利用 SPI 通訊的方式進行寫入與讀取資料，因 此我們必須根據 Energy Metering Sensor 所限制的 Serial Write/Read Timing 來撰寫程 式，如果寫入的速度太快，資料將會遺失，所以須特別注意 Serial Write/Read Timing 的部份，如圖 4.3 所示:

圖 4.3 Timing Limit[2]

再來就是寫入的動作，如圖 4.4 所示，當 nCS 為 Low 時，資料傳輸開始進行，

此時 SCLK 由 Low to High，DIN 寫入一筆 1byte 的資料，再 SCLK 負緣時判斷 DIN 的 MSB 為 0or 1，如果為 1 代表寫入的動作，為 0 代表讀取的動作，而剩餘的 7 個 bit 代表要對哪個 Register 進行動作，例如寫入的 Register 為 0x19，DIN 寫入的資料 就為 0x99，之後再寫入想要改變的資料，寫入動作即為完成。

圖 4.4 Serial Write Timing[2]

而當對此 Register 做讀取動作，DIN 寫入 0x19，動作與寫入的區別只在判別 DIN 的 MSB 和讀取時 DOUT 會將資料輸出至 MCU，如圖 4.5 所示。

圖 4.5 Serial Read Timing[2]

下圖 4.6、4.7 為 Serial Write 之流程圖，首先必須先設定寫入 Address 的 MSB 為 High，此動作是讓 ADDE7758 判別為寫入狀態，所以有 addr=addr|0x80，再將 nCS 設定為 Low，寫入動作方可執行，直到 Address 寫入成功後，判別寫入的資料長度，

分別為 1byte、2byte、3byte 三種，再將欲寫入的資料寫入，即完成一筆完整的資料 寫入動作，此時 nCS 為 High，結束資料的寫入。

Write 7758()

Set NCS=0;

CLK=1;

i=0;

i<8;

If(Addr&0x80==0) Addr=Addr|0x80

DIN=0;

Din=1;

Addr<<1;

i++;

Switch(data) No

Yes

No

Yes

A

A

圖 4-6 Serial Write 流程圖(a)

Switch(data)

Case 8 Case16 Case 24

i<data i=0;

If(data&0x80==0 0x8000 0x800000

DIN=0;

DIN=1

Data<<1;

i++;

NCS=0

Yes No

圖 4.7 Serial Write 流程圖(b)

圖 4.8 為 Serial Read 之流程圖，讀取的 Address MSB 為 Low，所以在 Address 這 我們不做任何更改，原因是因為 ADE7758 Register Address 的 MSB 皆為 0，再寫入 Address 前 nCS 設為 Low，寫入 Address 成功後再讀取 Register 內部資料，資料格式 分別為 8bit、12bit、16bit、24bit，讀取後再將 nCS 設為 Low 即完成讀取動作。

Read7758()

NCS=0

i=0;

i<8;

If(Addr&0x80==0)

DIN=0;

Din=1;

Addr<<1;

i++;

Data i=0;

Data i<data

Data=Data<<1

If(Dout==1)

Data|=1; Data|=0

Yes

NO

Yes No

Yes

Data i++

NCS=1

Return data

A

A

B

B

圖 4.8 Serial Read 之流程圖

4-2-2. RF Transceiver 系統流程規畫

圖 4.9 為 RF Transceiver 系統流程圖，首先先設定 RF Transceiver 的頻段，頻段 選擇可從 2.4~2.48GHz，此時 RF Transceiver 進入 RX 模式，等待 Master 傳送的 cmd，

當收到 cmd 時，RF Chip 的 GPIO1 會從 High 變為 Low，再開始接受 Master 傳送的 cmd，確定 Master 所傳送的封包資料為正確，在判斷所送的 cmd 做相對應動作。其 Master 與 RF Transceiver 傳輸界面是以 SPI 做為溝通方式，SPI 傳輸方法與 4-2-1 章節 類似，可參考其章節之 Serial Write/Read 流程 。

SetChannel()

StrobeCmd()

While(GPIO==1)

Rx_packet()

If(Tx_flag==1)

判斷所收到的Cmd 做相對應動作

If(cmd=0x42) No If(cmd=0x10) No Cmd=else

GetSensorData 跳頻 etc…

While(1)

A

A

圖 4.9 RF Transceiver 動作流程

4-2-3. LCD 介面

LCD_updata 副程式主要是更新系統所得到最新資訊，再由 LCD 屏幕顯示其畫 面，首先判斷選單切換到功率、度數等畫面，再寫入當下資訊，其寫入動作為 SPI 傳輸介面，寫入成功後，再由 LCD Driver 傳回 MCU，更新資訊，其動作流程如圖 4.10。

LCD_updata

Write2LCD

寫入相對應字元

LCD_Data_Tx

顯示在LCD上 Switch(case)

電壓 電流 頻率 功率 度數 功率因數

圖 4.10 LCD 動作流程

4-2-4. Ethernet Module

Ethernet Module 在系統中屬於與異質網路結合的界面，利用 MCU 的 TX、RX 與 模組的 RX、TX 對接，當 MCU 對 UART 做寫入或讀取時，將資料傳送和接收至 TCP/IP，使用者就可以從遠端獲取當下 Energy Metering Sensor 所提供的資訊，也可 從遠端控制 Energy Metering Sensor，圖 4.11 為 PC 端顯示的數值。

圖 4.11PC 端顯示的數值

第五章 綜合測試與實現

5-1. Measured Data

為了驗證 Energy metering Sensor IC-ADE7758 量測的精準度，可透過 8051 直接 與 ADE7758 以 SPI Interface 做資料傳輸，再用訊號產生器模擬實際電壓電流輸入，

V+、V-、I+、I-可輸入最大電壓為±0.5V，觀測 ADE7758 產生 Data 方法有兩種，其 一將 SPI 接腳與邏輯分析儀或示波器相接，產生四組信號，如圖 5.1，另外可由 PC 端於 Keil C 的 Debug Tool 觀察所得到數值；對應 Voltage、Current WattHR 等 Register 產生的值，將 Dout 所得到的 ADC 值對應輸入的模擬電壓，將量測到的所有數值統整

後，將可得到電壓、電流、實功等演算法，詳細量測在 5-1-1、5-1-2、5-1-3 會詳細介 紹。

圖 5.1 邏輯分析儀量測的 Serial Write/Read

5-1-1. Voltage Measure

圖 5.2 表示量測 0~60mVpp 電壓實所得到的 ADC 數值，由圖中可以發現未輸入 任何信號時，此 VARMS Channel 會有一個 Default ADC 值，約為 24000 左右，此 ADC 的數值因為自然界的白雜訊與儀表的雜訊產生的，而 0~25mVpp 的線性度較差，將不 列入演算法的參考點，為了可以精準的量測到市電 90~264VAC，取 60m~500mVpp，

對應的實際電壓約為 42VAC~345VAC，如圖 5.3；將 ADC 值對應 Vrms 值將可得到 一直線方程式，直線方程式為下列公式:

y = 0.6906x + 0.2747; R² = 1

其中 x 為 ADC 值，y 為 Vrms 值，0.6906 為斜率，截距為 0.2747，此為程式計算 時必須撿掉的 Default 值。

圖 5.2 Voltage Channel A 0~60mVpp 量測曲線

圖 5.3 Voltage Channel A 60~500mVpp 量測曲線

圖 5.4 為 VBRMS Channel 量測曲線，跟 VARMS Channel 一樣會有一 Default ADC 值，此時如同 VARMS 捨去 0~60mVpp 量測點，如圖 5.5。

圖 5.4Voltage Channel B 0~60mVpp 量測曲線

圖 5.5 Voltage Channel B 0~60mVpp 量測曲線

圖 5.6 為 VCRMS Channel 的量測，取此 Channel 的電壓演算法如 VARMS、VBRMS 一致。

圖 5.6 Voltage Channel C 0~60mVpp 量測曲線

圖 5.7 Voltage Channel C 60~500mVpp 量測曲線 量測所得到的結果，將在 5.2 章節實際驗證。

5-1-2. Current Measure

圖 5.8 為量測 IARMS channel 0~20mVpp 曲線，斜率趨近於 1，所以取電流演算 法的曲線保留 0~60mVpp 的線段，其最主要原因是必須精準量測到 0~90Irms 的電流，

所以取 0~500mVpp 的線段當做演算公式，得到的直線方程式如下:

y = 0.0578x + 8*10

^-15

x 為 ADC 值， y 為 Irms 值，0.0578 為斜率，截距為 8*10

^-15

圖 5.8 Current Channel A 0~20mVpp 量測曲線

圖 5.9 Current Channel A 0~500mVpp 量測曲線

圖 5.10 為 IBRMS0~20mVpp 量測曲線，如同 IARMS，取 0~500mVpp 線段當作 資料範圍，如圖 5.11。

圖 5.10 Current Channel B 0~20mVpp 量測曲線

圖 5.11 Current Channel B 0~500mVpp 量測曲線

圖 5.12 為 ICRMS0~20mVpp 量測曲線，如同 IARMS，取 0~500mVpp 線段當作 資料範圍，如圖 5.13。

圖 5.12 Current Channel C 0~20mVpp 量測曲線

圖 5.13 Current Channel C 0~20mVpp 量測曲線 量測所得到的結果，將在 5.2 章節做實際驗證。

5-1-3.Power Factor Measure

為了量測 Power Factor 的精準度，首先必須對使用的 Energy Metering Sensor 做 校正，確定在實阻抗的情況下，實功率會等於總功率，P.F=1，所以透過圖 5.14 所使 用的純負載來確定電錶 Power Factor 精準度 ，再量測時會發現，每個 Energy Metering IC Default 都會有很大的誤差，甚至會有實功率大於總功率的情況發生，所以必須透 過 ADE7758 Datasheet 所建議的校正方法來改善此情況，下列的公式是改變實功的增 益，當然也可以改變總功的增益來調整 Power Factor，其增益最大可調整±50%。

[2]

實際上，為了日後的校正機制，為了避免進廠維修的麻煩，決定校正的參數透過 主控端值接來改變 Slave 的校正參數，所以目前處理的方法是利用實功率乘上需校正 的參數來當作校正的增益。

圖 5.14 校正 Power Factor 所使用的純負載與參考電錶

C 2 R 2 1n

1k /10W 2

1

R 1 1k /10W 2

V1 1 110Vac

圖 5.15Power Factor 量測電路圖

圖 5.16 Power Factor 量測實體電路

透過實驗將 2 個 1KΩ/10W 串聯，在與電容並聯，來量測電錶產生的 Power Factor 與理論值做驗證，選用兩個 10W 的電阻串聯是避免在大功率的情況下電組燒毀的 可，理論值計算的公式如下:

表 5.1 是利用浙江松夏-DDSC722 儀表[6]與 ADE7758 量測和實際理論值得到的 表，量測六種電阻電容組合的到的結果。

G R C G

F G

P

; ) (

.

2 2 

 



表 5.1 Power Factor 量測數據與理論值比較表

三馬 負載 電容 Power_factor 誤差百分比(%)

inf 3.30E-06 0 0

2K(1K/10W*2) 3.30E-06 0.34 8.108108108 2K(1K/10W*2) 2.20E-06 0.47 8.737864078 2K(1K/10W*2) 1.00E-06 0.74 7.268170426 2K(1K/10W*2) 4.70E-07 0.894 4.893617021

2K(1K/10W*2) 0.00E+00 0.99 1

inf 3.30E-06 0 0

ADE7763 2K(1K/10W*2) 3.30E-06 0.353 4.594594595 2K(1K/10W*2) 2.20E-06 0.493 4.27184466 2K(1K/10W*2) 1.00E-06 0.788 1.253132832 2K(1K/10W*2) 4.70E-07 0.932 0.85106383

2K(1K/10W*2) 0.00E+00 1 0

inf 3.30E-06 0 0

Calculation2K(1K/10W*2) 3.30E-06 0.37 2K(1K/10W*2) 2.20E-06 0.515 2K(1K/10W*2) 1.00E-06 0.798 2K(1K/10W*2) 4.70E-07 0.94

2K(1K/10W*2) 0.00E+00 1

透過表 5.1 可以得到圖 5.16 電錶量測值與理論值的比較曲線，其中縱軸是電錶量 測到的 Power Factor，橫軸則是理論值，曲線的結果是 ADE7758 與理論值較為接近。

圖 5.17 Power Factor 量測曲線

5-2.成果展示

圖 5.17 為 Demo 的示意圖，展示的部分共分成四個區塊，分別為 Master、Slave、

PC、與待測負載；首先由 PC 透過 TCP/IP 下達命令給 Master，Master 接受到訊號，

判斷資料是否正確，確認無誤回給 PC 一個正確訊息，再透過 RF Transceiver 送出命 令，Slave 端 RF Transceiver 接收命令後，將量測負載的資訊由 RF Transceiver 送出資 料給 Master，Master 再透過 UART 經由 Ethernet Modual 轉成 TCP/IP 訊號上傳到 Ethernet，此時可透過 PC 端可監控遠端電力資訊。

注意:以下所使用的負載皆為吹風機。

圖 5.18 Demo 示意圖

圖 5.19 Slave 端顯示電壓的數據

Master

Slave

Slave 端顯示實際電壓 124.1V

FLUKE-337[7]電錶 當作參考儀表，為 122.7V

LCD 顯 示電壓精 準度到小 數後 1 位；誤差 約為 1%

圖 5.20 未接上負載時量測之電流值

圖 5.21 吹風機冷風檔之量測之電流值

未接上負載之電流

為 0.00A

PROVA-CM-02[8]當 作參考儀表，顯示為 0.00A

PROVA-CM-02 當作 參考儀表，顯示為 2.15A

吹風機冷風檔之電 流為 2.14A

LCD 顯示電 流精準度到 小數後 2 位。

圖 5.22 吹風機熱風檔之量測之電流值

圖 5.23 吹風機最大熱風檔之量測之電流值

電流檔 最大誤 差約為 0.4%。

PROVA-CM-02 當作 參考儀表，顯示為 7.90A

PROVA-CM-02 當作 參考儀表，顯示為 4.99A

吹風機熱風檔之電 流為 4.97A

吹風機最大熱風檔

之電流為 7.92A

圖 5.24 未接上負載量測之實功率

圖 5.25 浙江松夏-DDSC722 未接上負載之實功率

未接上負載時之實

功率為 0.0000KW

當作參考的浙江松

夏-DDSC722[6]儀

表，其功率為 0.0W

圖 5.26 吹風機冷風檔量測之實功率

圖 5.27 浙江松夏-DDSC722 冷風檔之實功率

吹風機冷風檔時之

實功率為 0.0000KW

浙江松夏-DDSC722

儀表，其功率為

2.737W

圖 5.28 吹風機熱風檔量測之實功率

圖 5.29 浙江松夏-DDSC722 熱風檔之實功率

吹風機熱風擋時之

實功率為 0.5789KW

浙江松夏-DDSC722

儀表，其功率為

601.8W

圖 5.30 吹風機最大熱風檔量測之實功率

圖 5.31 浙江松夏-DDSC722 最大熱風檔之實功率

未接上負載時之實

功率為 0.8830KW

浙江松夏-DDSC722

儀表，其功率為

911.1W

LCD 顯示功率精準度到小數後 1 位；透過左圖可以看出三馬電表功率高出約 20W 左右，主要原因是因三馬電表量測到的電流值與 PROVA 勾表、FLUKE 電表較高。

ADE7758 可以精準的量測儀表操作頻率，適用 50Hz 或 60Hz 之市電。

圖 5.32 市電頻率

第六章 結論

6-1.系統優點

本論文所實踐之 2.4GHz 無線電力監測系統，結合 Wireless 與 Ethernet，讓使用 者可以很容易在遠端了解即時電力資訊，有效的達到電力控管之效用，減少不必要的 浪費，讓節能方法更加聰明簡單；而透過 Wireless 傳輸資料，可減少傳統佈線錯綜複 雜的情形。

顯示市電頻率

系統所使用的電力設備為 Switching Power，改善 Linear Power 因發熱所消耗的功 率。

此異質網路結合的系統可延伸更多應用，舉凡氣體監測、溫濕度監測、燈光控制、

水力、瓦斯等多種應用，達到智慧建築七大指標中的設備節能與綜合佈線指標。

6-2.結論與展望

目前 Slave 接為固定 ID，未來希望可由 Master 透過 cmd 給 Slave 一個可變更的 ID，不必因現有 ID 數來限制 Master 所加入的 Slave 數量。

建制一個類 Zigbee[9]的無線通訊平台機制，增加傳輸的通暢度，減少資料的遺 失，增加 Router，增加傳輸的距離。

此研究最主要的目標是讓建築更加智慧化，現今智慧建築的發展因價格過高、可 信度等因素，使得智慧建築並不普遍，如可以讓成本降低，增加長時間使用的可信度，

將可達到智慧建築之願景。

參考文獻

[1]智慧建築標章-七大指標之意義，URL: http://iblogo.tabc.org.tw/ibsm/p-1-1.aspx [2] AnalogDevice，URL: www.analog.com/en/analog-to-digital-converter

[3]笙科電子，URL: www.amiccom.com.tw/

[4]巨擎科技，URL: www.infosystem.com.tw/index.php?lang=ch

[5]

George C. Chryssis 著 , 梁適安譯 , “高頻交換式電源供應器原理與設計” , 麥格羅希 爾出版 , 初版 , 台北 , May , 1995。

[6]浙江松夏儀表，URL:kwhmeter.com/products_view.php?id=35 [7]FLUKE，URL:

www.fluke.com/fluke/usen/home/Not-Found?sUrl=fluke%2fusen%2fproducts%2ffluke+3 30.htm%3fcatalog

[8]PROVA 泰儀電子，URL: http://www.prova.com.tw/

[9]ZigBee Alliance, URL: http://www.zigbee.org/en/index.asp